§ Б. РЕАКТИВНАЯ МОЩНОСТЬ.
Способы и средства ее компенсации
Широкая электрификация современных предприятий горной промышленности и непрерывный рост мощностей отдельных электроустановок служат причиной значительного увеличения удельного потребления и общего расхода электроэнергии. В десятой пятилетке суммарная электрическая нагрузка и общий расход электроэнергии только по угольной отрасли возрастут соответственно с 6,8 до 11,4 млн. кВт и с 28,2 до 49,6 млрд. кВт-ч.
В этих условиях важное значение приобретают мероприятия, которые смогут обеспечить рациональное и экономичное электропотребление. Мощность в цепях трехфазного переменного тока определяется по следующим формулам: -
(54)
(55)
Активная мощность электродвигателей превращается в рабочей машине в механическую работу, а в лампах накаливания — В световую и тепловую энергию и т. п.
Реактивная мощность требуется для создания магнитных полей в стальных сердечниках асинхронных электродвигателей и трансформаторов.
Полная (кажущаяся) мощность характеризует мощность синхронных генераторов, трансформаторов.
Из треугольника мощностей (рис. 109) видно, что при наличии реактивной мощности между прилежащим катетом и гипотенузой образуется угол, величина которого будет меняться в зависимости от изменения величин активной и реактивной мощностей. Косинус угла этого сдвига, или отношение активной мощности к полной называется коэффициентом мощности cos φ, который можно определить по формуле
(57)
где Р и S определяются по формулам (54) и (56).
Рис. 109. Треугольник мощностей
Мгновенное значение коэффициента мощности можно определить по показаниям фазометра или подсчитать по показаниям ваттметра (Р), вольтметра и амперметра (/, U), используя формулу (54).
Большинство современных асинхронных электродвигателей при номинальной нагрузке имеет cos φ, равный 0,8—0,9. Но характер работы двигателей в горной промышленности, особенно в подземных выработках шахт, в большинстве случаев не позволяет им иметь номинальную нагрузку, что снижает величину коэффициента мощности. Уменьшение величины коэффициента мощности влечет за собой увеличение тока, а следовательно, приводит к дополнительным потерям электроэнергии во всех элементах электросистемы.
Увеличение тока вызывает необходимость увеличения сечений проводов и жил кабелей, увеличения габаритов и массы требуемой пускозащитной аппаратуры, что значительно усложняет и удорожает применяемое электрооборудование.
При увеличении тока возрастает падение напряжения. Работа двигателей при пониженном напряжении увеличивает скольжение и ток в обмотках. Увеличение тока связано с быстрым износом изоляции и уменьшением срока службы электродвигателей, а повышение скольжения снижает частоту вращения и, как следствие, снижает производительность рабочей машины. Кроме этого, при пониженном напряжении затруднен пуск электродвигателей под нагрузкой, так как вращающий момент асинхронных электродвигателей пропорционален квадрату напряжения. Снижение напряжения только на 10%. резко изменяет электрические параметры двигателя; вращающий момент уменьшается на 19%, скольжение, токи ротора и статора возрастают, соответственно, на 27,5, 14 и 10%.
Таким образом, падение напряжения ниже допустимых величин ухудшает работу и уменьшает срок службы электроприемников, нарушает технологический процесс работы машин и механизмов.
Работа при заниженном против номинального коэффициенте реактивной мощности приводит к увеличению установленной мощности генераторов, силовых трансформаторов, излишним капитальным затратам на сооружение и техническое обслуживание электрических станций, подстанций и ЛЭП, создает неэкономичный режим работы всей электросистемы.
Приведенные примеры показывают, что работа при пониженном значении коэффициента реактивной мощности, а следовательно, При значительной реактивной мощности требует дополнительных затрат, которые в масштабах горной промышленности могут составлять значительную сумму.
Необходимо помнить, что проблема снижения реактивной мощности связана со всем комплексом вопросов от проектирования до эксплуатации электроустановок.
Рассматривая данный вопрос, необходимо учитывать, что производство и потребление электрической энергии взаимосвязаны, совпадают во времени и представляют экономически единое целое.
К основным причинам сравнительно большой реактивной мощности потребителей относятся: несовершенство конструкций асинхронных электродвигателей; установка асинхронных двигателей и силовых трансформаторов завышенной мощности по сравнению с расчетной; некачественный ремонт электродвигателей; повышение напряжения сети.
Как известно, в электрических машинах между ротором и статором имеется воздушный зазор, обусловливающий большое магнитное сопротивление и, следовательно, высокие значения намагничивающего тока и реактивной мощности. Величина минимально допустимого зазора определяется условиями механической надежности двигателя. Естественно, что двигатели, предназначенные для работы в особо тяжелых условиях, что относится к горкой промышленности, должны иметь повышенную механическую надежность. Последняя может быть достигнута за счет увеличения воздушного зазора, что приводит к возрастанию намагничивающего тока асинхронных электродвигателей, особенно взрывобезопасного исполнения.
Реактивная мощность мало зависит от нагрузки, так как при постоянном напряжении сети магнитный поток двигателей и трансформаторов и, следовательно, намагничивающий ток практически не меняются.
Таблица 36
Неполное использование активной мощности при постоянной реактивной мощности снижает коэффициент мощности. Особенно резкое снижение происходит в установках, где по условиям взрывобезопасности асинхронные электродвигатели встроены внутрь корпусов машин и не подлежат замене, хотя при выполнении маневровых операций их нагрузка не превышает 10% номинальной мощности. При холостом ходе двигателей коэффициент мощности мал (0,1—0,25). Соотношения мощностей в зависимости от величины коэффициента мощности приведены в табл. 36.
Причинами, снижающими коэффициент мощности и увеличивающими реактивную мощность после ремонта двигателей, являются изменение обмоточных данных и обточка ротора, что приводит к увеличению воздушного зазора.
Повышение напряжения на зажимах двигателей на 1% выше номинального увеличивает реактивную мощность в среднем на 3%.
Для разработки мероприятий по снижению реактивной мощности электроустановок промышленных предприятий, в том числе горных предприятий, в СССР действуют «Указания по компенсации реактивной мощности в распределительных сетях» [14].
Для снижения реактивной мощности предусматривают мероприятия, которые не требуют применения компенсирующих устройств (естественный способ) и мероприятия с применением компенсирующих устройств (искусственный способ).
При проектировании и эксплуатации электромеханического хозяйства в первую очередь должны рассматриваться и осуществляться следующие мероприятия по уменьшению реактивной мощности приемников: 1) упорядочение технологического процесса, которое ведет к улучшению энергетического режима электрооборудования и к снижению расчетного максимума реактивной нагрузки; 2) подбор электродвигателей и силовых трансформаторов, которые по своим параметрам должны соответствовать или быть близкими к расчетным данным, полученным методом технико-экономического обоснования; 3) установка устройств, ограничивающих холостой ход электроприемников; 4) использование синхронных двигателей вместо асинхронных для нерегулируемых электроприводов с постоянным режимом работы, если это допустимо по техническим и экономическим условиям; 5) применение других технических средств, которые смогут обеспечить повышение технико-экономических показателей системы электроснабжения.
В период, реконструкции системы электроснабжения необходимо предусматривать: 1) замену или отключение на период малых нагрузок силовых трансформаторов, загружаемых менее чем на 30% их номинальной мощности, при условии сохранения нормального режима работы сети и электроприемников; 2) замену загружаемых менее чем на 60% асинхронных электродвигателей на двигатели меньшей мощности или изъятие отдельных электродвигателей при наличии практической возможности; 3) повышение качества ремонта электродвигателей. Основа качества — выпуск двигателей после ремонта с сохранением номинальных данных. Несоблюдение этого требования приводит к повышению тока холостого хода и, следовательно, реактивной мощности, большой неравномерности нагрузки отдельных фаз и другим недостаткам, что в конечном итоге приводит к повышенным потерям электроэнергии.
При выборе средств компенсации исходными являются следующие данные, получаемые от энергосистемы: 1) экономически обоснованная наибольшая величина реактивной мощности горного предприятия в режиме наибольшей нагрузки энергосистемы; 2) определенная по техническим условиям наименьшая реактивная мощность потребителя в режиме наименьшей нагрузки энергосистемы; 3) определенная по техническим условиям наибольшая реактивная мощность потребителя в послеаварийных режимах.
Наибольший экономический эффект может быть достигнут при размещении компенсирующих устройств в непосредственной близости от электроприемников, работающих с отстающим током.
Основными устройствами искусственной компенсации реактивной мощности являются статические конденсаторы и синхронные компенсаторы (синхронные двигатели облегченной конструкции без нагрузки на валу). Предпочтение отдают статическим конденсаторам, но иногда для крупных горных предприятий установка синхронных компенсаторов бывает необходимой по условиям работы энергосистемы. Необходимость диктуется созданием условий устойчивости и возможности регулирования напряжения В энергосистеме. Компенсаторы в периоды малой нагрузки работают с недовозбуждением (с отстающим током), а в периоды максимальной нагрузки — с перевозбуждением (с опережающим током). При наличии надежной схемы управления компенсатор позволяет плавно регулировать уровень напряжения на приемных концах сети.
К положительным качествам компенсаторов относятся также: возможность плавного и автоматического регулирования реактивной мощности, достаточная термическая и электродинамическая стойкость обмоток при возникающих к. з., возможность восстановления поврежденных компенсаторов.
. Недостатки компенсаторов — значительные потери активной энергии на выработку реактивной, которые при полной их нагрузке колеблются в пределах 0,15—0,32 кВт ч/квар-ч; сложные условия пуска; шум во время работы; более сложная эксплуатация по сравнению со статическими конденсаторами.
Статические конденсаторы представляют собой специальные емкости, способные вырабатывать реактивную энергию. Они могут работать лишь как генераторы реактивной энергии, т. е. по своему действию подобны синхронному компенсатору, работающему с перевозбуждением.
Достоинства статических конденсаторов следующие: бесшумность в работе, простота в эксплуатации ввиду отсутствия вращающихся и трущихся частей, простота выполнения монтажных работ ввиду малого веса и отсутствия фундамента, малые потери (0,0025—0,05 кВт/квар), возможность их установки для компенсации отдельно стоящего электродвигателя, группы двигателей участка или цеха, возможность установки для всех электроприемников горного предприятия, возможность использования в распределительных сетях напряжением от 220 В до 35 кВ.
Недостатки конденсаторов: отсутствие плавного автоматического регулирования их реактивной мощности, пожароопасность, наличие остаточного заряда, недостаточная прочность при возникающих к. з., сравнительно малый срок службы в пределах 8—10 лет, зависимость реактивной мощности от напряжения сети, что подтверждается формулой
(58)
где Uном — номинальное напряжение конденсаторов, кВ;
С — емкость конденсатора, мкФ;
ω — угловая частота сети переменного тока, равная 2л/, ,Гц:.
Учитывая, что реактивная мощность пропорциональна квадрату напряжения, конденсаторы гораздо экономичнее располагать в сетях напряжением выше 1000 В, так как при одной и той же емкости и более высоком напряжении реактивная мощность получается большей.
Компенсация реактивной мощности может быть индивидуальной, групповой или централизованной. На горных предприятиях в основном применяется централизованный метод, когда компенсирующие устройства размещаются на поверхности шахт или на карьерах, с присоединением на стороне высшего напряжения трансформаторной подстанции (ГПП предприятия).
В любом случае преимущество приобретает тот способ компенсации реактивной мощности, при котором получается минимальная величина затрат на 1 квар-ч.
Выбор компенсирующих устройств производится на основании технико-экономического сравнения вариантов, которые должны быть выполнены в соответствии с «Типовой методикой определения экономической эффективности капитальных вложений», утвержденной Постановлением Госплана СССР, Госстроя СССР и Президиума АН СССР от 8 сентября 1969 г. № 40/100/33.
